Практичні поради щодо розведення друкованих плат для високочастотних пристроїв

Мета цієї публікації — надати корисні поради щодо розведення друкованої плати розробникам-початківцям швидкодійних систем і пристроїв.

Дж. Ардізоні

Розведення друкованої плати є завершальним етапом проєктування швидкодійного пристрою або системи. Ця публікація не може дати відповіді на всі питання, які можуть виникнути під час проєктування подібних пристроїв, проте ключові моменти, що дозволяють скоротити час проєктування та забезпечити граничні параметри розроблюваного пристрою, викладені в статті досить докладно. Незважаючи на те, що всі рекомендації щодо розведення друкованої плати розглянуті на прикладі високочастотних операційних підсилювачів, вони також застосовні й до інших аналогових компонентів. Схемотехнічні рішення можуть виглядати дуже привабливо «на папері», однак через неякісний монтаж отримати очікувані параметри вдається далеко не завжди. Оптимальне розміщення компонентів і грамотне трасування друкованої плати можуть забезпечити найкращі параметри розроблюваного пристрою.

Принципова електрична схема

Якісному розведенню друкованої плати має передувати розроблення хорошої принципової схеми. Якщо поширення сигналу в принциповій схемі відбувається зліва направо, то в тому ж напрямку повинен поширюватися сигнал і на друкованій платі. Під час розведення друкованої плати необхідно отримати якомога більше інформації про принципову схему розроблюваного пристрою. Тому розробник принципової схеми, якщо це можливо, повинен працювати безпосередньо з технологом.

Яка інформація необхідна технологу?

Яка інформація необхідна технологу, окрім специфікації компонентів, розсіюваної потужності та допусків? Насамперед це інформація про форму сигналу, механічні параметри (габарити корпусу, допустиму довжину друкованих провідників, обмеження на розміри друкованої плати), відомості про те, які компоненти повинні знаходитися на кожному боці друкованої плати, включаючи компоненти з регульованими параметрами, відомості про температурні характеристики компонентів, допустимий імпеданс друкованих провідників, короткі відомості про роботу принципової схеми тощо.

Яку інформацію повинен надати розробник принципової схеми?

Ця інформація повинна включати короткий опис роботи основних вузлів схеми, ескіз плати із зазначенням приблизного розташування вхідних і вихідних вузлів, кількість шарів, товщину шарів, призначення кожного шару: сигнальний, шар живлення, шар цифрової землі, шар аналогової землі тощо. Повинні бути зазначені компоненти з критичними параметрами, друковані провідники з контрольованим імпедансом, узгоджені за параметрами друковані провідники. Має бути відомо, які провідники слід віддаляти один від одного, які розміри компонентів, які компоненти повинні знаходитися поруч, а які — бути віддаленими один від одного.

Розташування компонентів

Як правило, заздалегідь визначено, де повинні знаходитися вхід і вихід друкованої плати, а решта простору друкованої плати часто заповнюється довільно. Щоб уникнути (за такого підходу) перепроєктування друкованої плати, слід спочатку розмістити компоненти з критичними параметрами, які впливають на проходження сигналу від входу до виходу. Це дозволить скоротити час на трасування друкованої плати та вартість її розроблення загалом.

Розв’язка джерел живлення

Існує два основних принципи розведення кіл живлення високочастотних компонентів, включаючи операційні підсилювачі.

Використання розв’язувальних конденсаторів

Передусім це підключення між шинами живлення та землі кількох конденсаторів (як правило, достатньо підключити паралельно два конденсатори). Значення ємності конденсатора вибирається таким чином, щоб змінна складова не потрапляла в коло живлення підсилювача. Це особливо важливо на високих частотах, на яких коефіцієнт придушення нестабільності напруги живлення підсилювача зменшується. Додатково підключені в коло живлення конденсатори дозволяють компенсувати зменшення цього коефіцієнта на високих частотах.

Тому неправильний вибір типу конденсатора може призвести до втрати стійкості розроблюваного пристрою. Як правильно вибрати конденсатор розв’язки, розглянуто в . Розв’язувальні конденсатори мінімальних розмірів і невеликої ємності повинні встановлюватися в безпосередній близькості до виводів підсилювача на тому ж боці друкованої плати, на якому цей підсилювач встановлений.

Так само поблизу підсилювача повинні бути розташовані конденсатори великої ємності (від 0,01 до 2,2 мкФ). Якщо використовуються електролітичні конденсатори, їхній паразитний послідовний еквівалентний опір повинен бути мінімальним .

До другого методу розв’язки кіл живлення належить підключення розв’язувальних конденсаторів між позитивним і негативним джерелами живлення. Цей метод застосовують, коли складно розташувати чотири конденсатори поблизу однієї ІМС. Недоліком другого методу є те, що через подвоєння напруги на обкладках конденсатора збільшуються його розміри. З іншого боку, цей метод дозволяє підвищити коефіцієнт придушення нестабільності напруги живлення та зменшити рівень нелінійних спотворень.

Паразитні параметри

До цих параметрів належать паразитні ємності та індуктивності, які через неякісний друкований монтаж можуть бути включені в електричні кола високочастотного пристрою.

Джерела паразитних параметрів

Паразитні індуктивності можуть утворюватися виводами корпусів ІМС і довгими друкованими провідниками. Паразитні ємності можуть утворюватися між монтажним майданчиком і шаром землі, монтажним майданчиком і шаром живлення, монтажним майданчиком і провідником друкованої плати тощо.

На рис. 3, а наведено ідеальну принципову схему неінвертувального підсилювача. Якщо вказати всі паразитні елементи, які можуть утворитися внаслідок невдалого проєктування друкованої плати, то отримаємо принципову схему неінвертувального підсилювача, наведену на рис. 3, б.

У високочастотних колах навіть незначне значення паразитного параметра може призвести до змін роботи пристрою загалом. Так, наприклад, паразитний конденсатор на вході підсилювача (рис. 3, б) може збільшити викид на кривій АЧХ на 2 дБ (рис. 4).

Паразитна ємність може призвести до втрати стійкості підсилювача.

Нижче наведено прості формули, що дозволяють визначити величину паразитних параметрів. Так, наприклад, величина паразитної ємності, утвореної двома пластинами (рис. 5), визначається з виразу (1).

де А – площа пластини см, до – діелектрична постійна матеріалу плати, d – відстань між пластинами див.

Із виразу (2) можна визначити величину паразитної індуктивності (L) друкованого провідника з габаритами l × h × w.

Осциляції, наведені на рис. 7, викликані підключенням друкованого провідника довжиною 2,5 см до неінвертувального входу підсилювача. Еквівалентна паразитна індуктивність цього провідника становить 29 нГн.

Зменшити вплив цієї індуктивності дозволяє земляний шар друкованої плати.

Скрізні отвори є ще одним джерелом паразитних параметрів. Із виразу (3) можна обчислити паразитну індуктивність L, утворену таким отвором.

де T — товщина друкованої плати в см, d — діаметр наскрізного отвору в см.

Паразитну ємність C такого отвору, креслення якого показано на рис. 8, можна визначити з виразу (4).

де εr — діелектрична проникність матеріалу друкованої плати, T — її товщина в см, D1 — діаметр монтажного майданчика навколо отвору в см, D2 — діаметр неметалізованої поверхні навколо монтажного майданчика в см. Один отвір у друкованій платі товщиною 0,157 см збільшує величину паразитної індуктивності на 1,2 нГн і паразитної ємності на 0,5 пФ. Саме тому розведення друкованої плати для високочастотних пристроїв повинно виконуватися ретельно з урахуванням факторів, що впливають на роботу пристрою в цілому.

Земляний шар друкованої плати забезпечує екранування, розсіювання тепла, зменшує величину паразитних індуктивностей проєктованого пристрою, однак призводить до збільшення паразитної ємності. Під час використання такого шару необхідно враховувати як його переваги, так і недоліки.

В ідеальному випадку один із шарів друкованої плати повинен бути земляним. Він послаблює електромагнітне поле, наведене на сигнальні провідники. Велика площа такого шару зводить до мінімуму опір земляної шини живлення.

Однак, незважаючи на зазначені переваги, у деяких випадках доводиться відмовлятися від використання такого шару. Високочастотні операційні підсилювачі працюють краще, якщо під монтажними майданчиками вхідних і вихідних виводів земляний шар відсутній, оскільки наявність такого шару призводить до збільшення паразитної ємності на вході та виході підсилювача. Це, своєю чергою, може призвести до втрати стійкості ОП або погіршення АЧХ через збільшення викидів у діапазоні високих частот. Наявність паразитного ємнісного навантаження на виході ОП може призвести до формування додаткового полюса, якщо підсилювач охоплений негативним зворотним зв’язком, і, як наслідок, до втрати його стійкості.

Аналогова та цифрова земля проєктованого пристрою повинні бути рознесені в межах однієї друкованої плати. Проходження імпульсів із крутими фронтами в сигнальних колах призводить до значних викидів струму в земляній шині. Ці викиди формують шуми в аналогових колах підсилювача. Для зменшення рівня таких шумів шини аналогової та цифрової землі повинні бути об’єднані на друкованій платі лише в одній точці.

На високих частотах необхідно враховувати скін-ефект або поверхневий ефект, який призводить до протікання струму лише в поверхневому шарі провідника, що викликає збільшення його опору порівняно з опором на постійному струмі. Еквівалентне зменшення перерізу мідного провідника під час протікання високочастотних струмів добре апроксимується виразом (5),

де R — товщина скін-шару.

Для послаблення впливу скін-ефекту під час виготовлення друкованих провідників слід використовувати замість міді інші метали, менш чутливі до цього ефекту.

Вплив типу корпусу

Підсилювачі, як і інші мікроелектронні компоненти, випускаються в різних корпусах. Тип корпусу може впливати на високочастотні характеристики операційних підсилювачів та інших аналогових ІМС. Основний вплив мають паразитні параметри, пов’язані з конструкцією корпусу.

На рис. 9, а та 9, б наведено приклади розведення друкованої плати для операційного підсилювача відповідно в корпусах SOIC та SOT-23. Кожен із корпусів має свої переваги.

Особливості монтажу ОП у корпусі SOIC

Спочатку розглянемо особливості монтажу операційного підсилювача зі зворотним зв’язком у корпусі SOIC (рис. 9, а). Основне завдання під час розведення друкованої плати полягає в мінімізації довжини друкованих провідників. Паразитна індуктивність у колі зворотного зв’язку може призвести до появи дзвону та перевантажень.

На рис. 9, а та 9, б провідник кола зворотного зв’язку проходить навколо ІМС підсилювача, тоді як на рис. 9, в цей провідник проходить під ІМС підсилювача, виконаного в корпусі SOIC. В останньому випадку довжина провідника коротша, ніж у першому та другому випадках.

У конструкції, наведеній на рис. 9, а, спостерігається найбільша довжина друкованих провідників і, як наслідок, найбільша величина паразитної індуктивності. У конструкції, наведеній на рис. 9, б, використовуються наскрізні отвори, що призводять до утворення паразитних індуктивностей і ємностей.

Розведення ІМС операційного підсилювача в корпусі SOT-23 практично ідеальне: мінімальна довжина друкованих провідників у колі зворотного зв’язку, навантаження та розв’язувальні конденсатори з’єднані із земляною шиною в одній точці, а їхні з’єднання також мають мінімальну довжину.

Конденсатор розв’язки для позитивної напруги живлення на рис. 9, в не показаний, оскільки він знаходиться з іншого боку друкованої плати під таким самим конденсатором для негативної напруги живлення.

Нові типи корпусів для ВЧ-підсилювачів

Слід зазначити, що завдяки новому розташуванню виводів у низці високочастотних підсилювачів (наприклад, AD8045 виробництва Analog Devices) вдається зменшити довжину провідників у колі зворотного зв’язку.

Це пояснюється тим, що, як показано на рис. 10, вивід інвертувального входу та вивід виходу ІМС підсилювача AD8045 розташовані поруч. Розведення такого підсилювача суттєво спрощується (рис. 11) і, крім того, послаблюються нелінійні спотворення за другою гармонікою, оскільки в новому корпусі відсутній індуктивний зв’язок між виводами неінвертувального входу та негативної напруги живлення.

Максимальна величина послаблення таких спотворень може досягати 14 дБ.

На рис. 12 наведено залежності нелінійних спотворень для підсилювача AD8099, виконаного в корпусі старої конструкції (SOIC) та в новому корпусі LFCSP зі зміненим порядком виводів.

Новий корпус, крім того, має кращі параметри щодо розсіювання потужності, оскільки його тепловий опір зменшений на 40 %. Це призводить до підвищення експлуатаційної надійності підсилювачів, виконаних у корпусі LFCSP.

Слід зазначити, що, крім підсилювача AD8099, компанія Analog Devices випускає в новому корпусі також підсилювачі AD8045 та AD8000.

Трасування плати та екранування

На друковану плату надходять аналогові та цифрові сигнали в смузі частот від нуля до гігагерц. Для виключення взаємного впливу цих сигналів доводиться застосовувати спеціальні заходи. Земляні шари є хорошим екраном для сигнальних провідників. Під час розведення друкованих плат для високочастотних пристроїв можна скористатися такими рекомендаціями:

• слід мінімізувати довжину паралельних провідників, що дозволяє зменшити величину взаємної індукції;

• слід мінімізувати довжину провідників на суміжних шарах для зменшення ємнісного зв’язку;

• друковані провідники, які необхідно ізолювати один від одного, бажано розміщувати на різних шарах на значній відстані один від одного; якщо такі провідники не вдається рознести, слід розташовувати їх ортогонально із земляним шаром між ними.

Ортогональне розташування провідників дозволяє зменшити ємнісний зв’язок між ними, а земляний металізований шар виконує в цьому випадку роль електромагнітного екрана. Перелічені прийоми використовуються під час формування ліній із контрольованим імпедансом.

Високочастотні сигнали, як правило, надходять саме на такі лінії. Вони мають хвильовий опір, наприклад 50 Ом, і виконані на основі мікросмужкових та смужкових ліній зв’язку.

Мікросмужкова лінія з контрольованим імпедансом

Мікросмужкова лінія з контрольованим імпедансом для передавання ВЧ-сигналу зображена на рис. 13. Вираз (6) може бути використаний для розрахунку імпедансу ZO, якщо як матеріал друкованої плати використовується склотекстоліт FR4.

де H — відстань між мікросмужковою лінією та земляним шаром друкованої плати, W — ширина мікросмужкового провідника, T — товщина цього провідника, εr — діелектрична проникність склотекстоліту. Усі геометричні розміри необхідно підставляти в тисячних частках дюйма.

Смужкова лінія з контрольованим імпедансом представлена на рис. 14. Вона складається із шарів живлення та землі, між якими розташований діелектрик із сигнальною лінією. Для створення такої лінії потрібна більша кількість шарів, а її розміри залежать від товщини діелектричного матеріалу. Така лінія коштує дорожче за мікросмужкову та виготовляється за спеціальним замовленням. Хвильовий опір ZO цієї лінії визначається з виразу (7).

Захисне кільце (Guard Ring)

Захисне кільце (guard ring) є ще одним засобом екранування вхідного кола підсилювача або іншої аналогової ІМС. Таке кільце ізолює найбільш чутливі до завад вузли від паразитних струмів. На рис. 15 показано, як має бути організоване захисне кільце на інвертувальному та неінвертувальному входах ІМС AD8067, виконаної в корпусі 5-SOT23.

Висновки

• Грамотному проєктуванню друкованої плати повинна передувати розробка оптимальної принципової схеми високочастотного пристрою.
• Проєктування друкованої плати має бути виконане таким чином, щоб звести до мінімуму утворення паразитних ємнісних та індуктивних зв’язків.
• Для усунення завад по колах живлення необхідно правильно вибрати розв’язувальні конденсатори та встановити їх відповідно до рекомендацій, наведених у статті.
• Застосування земляного шару дозволяє знизити рівень електромагнітних завад, однак може призвести до збільшення паразитної ємності.
• Велике значення під час проектування ВЧ-пристроїв має тип корпусу ІМС; найкращими для ВЧ-пристроїв є корпуси типу
• Оптимальне трасування та грамотне екранування забезпечують максимальну смугу частот проектованого ВЧ-пристрою.